CN101234216B - 适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶及其制备方法。所述胶原基冷冻凝胶是由从健康家畜动物皮或腱采取酶法提取得到的分子量为280～320kDa、三股螺旋结构保持完好的胶原蛋白质，经与醛化多糖交联改性反应，在模具中于0～-50℃的低温条件下反应1～7天，出模缓慢解冻制得。本发明的胶原基冷冻凝胶制备，具体涉及胶原的提取、醛化多糖的制备、及醛化多糖—胶原基冷冻凝胶的合成。采用本发明制备的醛化多糖—胶原蛋白基冷冻凝胶，改善了单纯胶原蛋白凝胶的力学性能、热稳定性和抗酶降解性等，且冷冻凝胶具有多孔性、可塑性、亲水性、无毒性等优点，可作为生物支架、细胞培养、药物控释、生物敷料等生物医用材料。
Description
技术领域
本发明涉及胶原冷冻凝胶(cryogel)技术领域，更具体地说，是涉及适用于生物医用材料的用从家畜动物皮或腱提取的胶原制取冷冻凝胶的技术领域。
背景技术
水凝胶广泛应用于生物支架、细胞培养、药物控释、生物敷料等生物医用领域，其中应用于组织工程的水凝胶主要分为两大类：合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。胶原作为一种重要的天然高分子凝胶原料，既可直接形成凝胶又可以作为复合凝胶的基质，已经在生物医用材料领域得到广泛应用，如使用胶原基凝胶作为生物支架来培养纤维原细胞、上皮细胞等，或作为创伤敷料等。
已经知道，胶原是哺乳动物体中组成腱、软骨、皮肤和血管等细胞外基质的主要蛋白质成分。天然胶原在分子水平上是一类具有Gly-X-Y(X、Y通常为Pro或Hyp)三肽周期和独特的三股螺旋结构的纤维状蛋白质。从哺乳动物中提取得到的、尤其是分子结构保持良好的胶原，区别于明胶，具有良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性。但是，单纯的胶原在使用时，如胶原凝胶，其力学性能、热稳定性、抗酶降解性等方面还常常不能满足生物医用领域应用的要求。因此，通常使用的胶原基生物材料都要经过物理或化学方法交联改性，以改善胶原的物化和生物学方面的性能。至今被广泛采用的胶原改性方法主要有紫外线或γ射线辐射交联(CN1944495A)，或是以醛和金属离子等各种化学试剂交联。虽然使用甲醛(CN1071587A)、戊二醛(CN1387923A)改性的胶原不会改变胶原的基本构象及基本生物学功能，但有研究认为，由于醛与胶原的反应过程可逆，生成schiff碱的结构不稳定，改性后的胶原在体内很容易水解产生具有代谢毒性的游离小分子醛。因此通过甲醛和戊二醛改性后的胶原组织工程支架在体内会出现抑制细胞生长、产生炎症反应甚至发生钙化的现象。虽然使用紫外线或γ射线辐照交联胶原不会产生任何毒性成分，但是紫外辐照只能使胶原材料表面交联，而且过量或长时间的紫外线或γ射线辐照会导致胶原构象改变甚至使胶原降解，因此照射时间和交联程度很难控制。此外，常被采用的改性方法还有以胶原与其它天然高分子材料共混进行改性，如胶原—壳聚糖共混(CN1584150A)，胶原—透明质酸共混等。虽然共混改性能够借助氢键等次价键改善胶原的强度，并增添了许多胶原不具有的优良性质，但是该方法改性的胶原在力学性能、热稳定性、抗酶降解性等方面仍然不能满足组织工程支架的要求。考虑到上述原因，改性胶原基凝胶时，必须考虑到交联剂的毒性、改性方法的易控制性及改性效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶及其制备方法，以解决现有技术的胶原凝胶制备所存在的，改性操作方法不易控制性，制备的胶原凝胶在体内容易水解产生具有代谢毒性的游离小分子醛，致使体内出现抑制细胞生长、产生炎症反应甚至发生钙化，或胶原凝胶的力学性能、热稳定性、抗酶降解性等方面不能满足材料性能要求的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，是由从健康家畜动物皮或腱采取酶法提取得到的分子量为280～320kDa、三股螺旋结构保持完好的胶原蛋白质，经与醛化多糖交联改性反应，在模具中于0～-50℃的低温条件下反应1～7天，出模缓慢解冻制得，其中醛化多糖与胶原蛋白质的用量比例为按干重计1∶1～500，优选范围为1∶5～100，醛化多糖的醛基重量含量为30％～95％。
在上述技术案中，所述醛化多糖是以淀粉、透明质酸、硫酸软骨素等多糖及其衍生物为原料，采用高碘酸钠氧化制备的的醛化多糖。
在上述技术案中，所述胶原蛋白质是以清洁新鲜的健康家畜动物皮或腱为原料，经丙酮脱脂、干燥、粉碎加工成料屑，以10重量份的料屑溶解在600～800重量份的0.5mol/L醋酸溶液中，加入0.01～0.02重量份的胃蛋白酶，在5～25℃下酶解48～72h后离心取上清液，于4～6℃下经NaCl或(NH4)2SO4盐析，再经透析、冻干处理制备得到的胶原蛋白质干品。
在上述技术案中，所述醛化多糖是以10重量份的多糖加入到多糖15～25倍重量份的蒸馏水中在25～45℃下溶解，再加入5～25重量份的高碘酸钠，在pH1.5～4.0下反应2.5～10h，然后加入反应液2-7倍体积的丙酮沉淀，再经过 滤、洗涤、干燥、粉碎处理制备得到的醛化多糖。
以上所述的适用于生物医用材料的胶原蛋白质基冷冻凝胶，其制备方法包括以下三个操作步骤：
(1)称取1～50重量份胶原蛋白质干品，加入蒸馏水在4～6℃下不断搅拌6～12h，得到浓度为0.1～5重量％的胶原蛋白质溶液；
(2)称取0.1～10重量份的醛化多糖，加入蒸馏水在70～80℃加热并不断搅拌0.5～1h，室温冷却后得到0.01～1重量％的醛化多糖溶液；
(3)室温条件下，将浓度为0.01～1重量％醛化多糖溶液和浓度为0.1～5重量％胶原蛋白质溶液按干重计以1∶1～500的重量比例混合，并将以胶原蛋白质干品重量计的共混液浓度控制在0.01～5％，pH范围在4～9，在室温下搅拌2～6h后，将混合均匀的醛化多糖—胶原蛋白质溶液注入模具，在0～-50℃的低温反应器中贮藏反应1～7天，最后取出模具缓慢解冻，即制备得到醛化多糖—胶原基冷冻凝胶。
本发明利用醛化多糖与胶原上的氨基(主要是赖氨酸上的ε-氨基)生成schiff碱的反应，是以胶原蛋白质为基质，在低温条件下使其与醛化多糖交联反应一定时间，再经解冻制得醛化多糖—胶原基多孔异相冷冻凝胶(Cryogel)。本发明采用低温反应条件，避免了其它改性方法中易产生的胶原热变性现象，有利于保持胶原的天然三股螺旋结构和优良的生物学特性。特别是通过冷冻—解冻法制备醛化多糖—胶原基冷冻凝胶，克服了单纯胶原力学性能差、热稳定性低、抗酶降解能力弱等问题，并且交联后的凝胶内部具有多孔三维网络结构，更利于成型。此外，大分子的醛化多糖也具有优良的生物学性质，如无毒性、生物可降解性和组织相容性等，因此所制备的醛化多糖—胶原基冷冻凝胶材料可作为生物支架、细胞培养、药物控释、生物敷料等生物医用材料。此外，用于制备胶原基冷冻凝的胶原，作为一种天然凝胶状蛋白具有其来源广泛，成本较低廉，低免疫原性，良好的生物相容性和生物可降解性等优点。至目前为止，发明人尚未看到国内外刊物与专利文献有关醛化多糖—胶原基冷冻凝胶研究的报道。
本发明与已有技术相比，具有多方面的积极效果和优点，具体可归纳概括如下：
(1)本发明提供了一种醛化多糖-胶原基冷冻凝胶及其制备工艺，制得的冷冻凝胶材料是以胶原为主体，能充分发挥胶原的生物学性能优势。
(2)本发明中使用的交联剂是醛化多糖。由于醛化多糖由天然多糖经过高碘酸钠氧化制备获得，具有无毒性、生物可降解性和组织相容性等优良的生物学性能，采用它制备的醛化多糖-胶原基冷冻凝胶避免了游离小分子醛(甲醛或戊二醛)造成的抑制细胞生长，产生炎症反应甚至发生钙化等代谢毒性现象，使制备的生物材料具有更高的生物安全性。
(3)本发明首次在低温条件下采用生物学性能优良的醛化多糖交联胶原制备冷冻凝胶，不仅改善了胶原基凝胶的力学性能，使其能够维持特定的三维结构形状，而且提高了胶原凝胶热稳定性和抗酶降解性能，可以控制其生物降解吸收的速度。
(4)本发明采用的低温冷冻方法使制备的醛化多糖-胶原基冷冻凝胶形成相连的孔形态结构，使冷冻凝胶具有良好的吸收和保持水分的能力，以及吸附和培养细胞的潜力，适用于组织工程材料。
(5)本发明采用的低温反应条件使胶原避免了其它改性方法中易产生的热变性现象，并使其在很大程度上保持了天然胶原的三股螺旋结构和优良的生物学特性。
(6)本发明所使用的结构保持完好的胶原可以从健康的家畜动物生皮或腱中经酶法提取，来源广泛而且价格低廉，最终形成的醛化多糖-胶原基冷冻凝胶材料适用于生物医药领域，可产生较高的附加值。
本发明还具有一些其他方面的优点。
具体实施方式
下面给出本发明的三个实施例，通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
在以下实施例中，除特别说明外，所涉及的份数均为重量份数，百分比均为重量百分数。
实施例1
新鲜猪皮除去皮表面上的毛、油脂和其它杂质后切成小块，用丙酮脱脂约24h，干燥后粉碎成屑。称取10份皮料屑，装入带有搅拌装置和温度计的反应釜中，加入皮屑重80倍的0.5mol/L醋酸溶液，再加入皮屑重2％的胃蛋白酶，在20℃左右下搅拌酶解约72h后离心取酶解液。将酶解液在5℃左右下进行(NH4)2SO4盐析处理，再经透析、冻干处理后即制备得到胶原干品。
称取10份的原淀粉，加入到装有搅拌装置、温度计的反应器中，再加入20倍体积的蒸馏水，10份高碘酸钠，将pH值调至3，在35℃左右水浴搅拌反应约4h，反应后加入反应液2倍体积的丙酮沉淀出双醛淀粉(Dialdehyde Strach，DAS)，待沉淀完全后过滤。经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，得到双醛淀粉(DAS)。
称取10份胶原干品添加到990份的水中，5℃左右下不断搅拌约8h得到浓度约为1％胶原溶液。同时称取10份DAS添加到990份的水中，75℃左右水浴加热并不断搅拌约0.5h，得到浓度约为1％DAS溶液。在室温下，按胶原与DAS干重比为10∶1的比例缓慢共混并不断搅拌约2h，得到浓度以胶原干品重量计约为0.6％的DAS和胶原的共混液。之后将DAS和胶原混合液注入模具，放置在低温反应器内，在-15℃左右下保持约72h。然后将模具取出，在室温下缓慢融化，即得到DAS-胶原基冷冻凝胶。
实施例2
新鲜牛跟腱除去表面油脂和杂质后切成小块，用丙酮脱脂约12h，干燥后粉碎成碎料屑。称取10重量份跟腱碎料屑，加入带有搅拌装置和温度计的反应釜中，加入碎料屑重量80倍的0.5mol/L醋酸溶液，再加入料屑重量2％的胃蛋白酶，在20℃左右下搅拌酶解约48h后，离心取酶解液。将酶解液在5℃左右下经NaCl盐析处理后，再经透析、冻干处理制备得到胶原干品。
称取10份的硫酸软骨素，加入到装有搅拌装置和温度计的反应器中，再加入20倍体积的蒸馏水，15份高碘酸钠，将pH值调至1.5，在35℃左右水浴搅拌反应约3h，反应后加入反应液2倍体积的丙酮沉淀出双醛硫酸软骨素(Dialdehyde Chondroitin Sulfate，DCS)，待沉淀完全后过滤。经过滤、洗涤、干燥、粉碎处理后，即制备得到双醛硫酸软骨素(DCS)。
称取10份胶原干品添加到990份的水中，5℃左右下不断搅拌约12h得到浓度约为1％胶原溶液。同时称取10份纯化的DCS添加到990份的水中，75℃左右水浴加热并不断搅拌约0.5hs，得到浓度约为1％DCS溶液，在室温下，按胶原与DCS干重比为50∶1的比例共混搅拌约4h，得到浓度以胶原干品重量计约为0.3％的DCS和胶原共混液。之后将DCS和胶原混合液注入模具，放置在低温反应器内，在-20℃左右下保持约24h，然后将模具取出，在室温下缓慢融化，即得到DCS-胶原基冷冻凝胶。
实施例3
除去表面油脂和杂质的新鲜牛跟腱，切成小块，用丙酮浸泡约12h脱脂，干燥后粉碎成碎料屑。称取10份碎料屑，加入带有搅拌装置和温度计的反应釜中，加入料屑重量80倍的0.5mol/L醋酸溶液，再加入料屑重量2％的胃蛋白酶，在20℃左右下搅拌酶解约48h后，离心取酶解液。将酶解液在5℃左右下经NaCl盐析处理，再经透析、冻干处理后制备得到胶原干品。
称取10份的透明质酸，加入到装有搅拌装置、温度计的反应器中，再加入20倍体积的蒸馏水，20份高碘酸钠，将pH值调至1.2，在35℃左右水浴搅拌反应约2.5h，反应后加入反应液5倍体积体积的丙酮沉淀出双醛透明质酸(Dialdehyde Hyaluronic Acid，DHA)，待沉淀完全后过滤。经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，即制备得到双醛透明质酸(DHA)。
称取10份胶原干品添加到990份的水中，5℃左右下不断搅拌约12h得到浓度约为1％胶原溶液。同时称取10份纯化后的DHA添加990到份的水中，在75℃左右水浴加热并不断搅拌约0.5h，得到浓度约为1％DHA溶液，在室温下，按胶原与DHA干重比为10∶1的比例共混搅拌约2h，得到浓度以胶原干品重量计约为0.05％的DHA和胶原共混液。后将DHA和胶原混合液注入模具，放置在低温反应器内，在-40℃左右下保持约72h。然后将模具取出，在室温下缓慢融化，即得到DHA-胶原基冷冻凝胶。
Claims (10)
1.一种适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：由从健康家畜动物皮或腱采取酶法提取得到的分子量为280～320kDa、三股螺旋结构保持完好的胶原蛋白质，经与醛化多糖交联改性反应，在模具中于0～-50℃的低温条件下反应1～7天，出模缓慢解冻制得，其中醛化多糖与胶原蛋白质的用量比例为按干重计1∶1～500，醛化多糖的醛基重量含量为30％～95％。
2.根据权利要求1所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：醛化多糖与胶原蛋白质的用量比例为按干重计1∶5～100。
3.根据权利要求1或2所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述醛化多糖为以淀粉、透明质酸或硫酸软骨素及其衍生物为原料，采用高碘酸钠氧化制备的醛化多糖。
4.根据权利要求1或2所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述胶原蛋白质是以清洁新鲜的健康家畜动物皮或腱为原料，经丙酮脱脂、干燥、粉碎加工成料屑，10重量份的料屑溶解在600～800重量份的0.5mol/L醋酸溶液中，加入0.01～0.02重量份的胃蛋白酶，在5～25℃下酶解48～72h后离心取上清液，于4～6℃下经NaCl或(NH4)2SO4盐析，再经透析、冻干处理制备得到的胶原蛋白质干品。
5.根据权利要求3所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述胶原蛋白质是以清洁新鲜的健康家畜动物皮或腱为原料，经丙酮脱脂、干燥、粉碎加工成料屑，10重量份的料屑溶解在600～800重量份的0.5mol/L醋酸溶液中，加入0.01～0.02重量份的胃蛋白酶，在5～25℃下酶解48～72h后离心取上清液，于4～6℃下经NaCl或(NH4)2SO4盐析，再经透析、冻干处理制备得到的胶原蛋白质干品。
6.根据权利要求1或2所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述醛化多糖是以10重量份的多糖加入到多糖15～25倍重量份的蒸馏水中在25～45℃下溶解，再加入5～25重量份的高碘酸钠，在pH1.5～4.0下反应2.5～10h，然后，加入反应液2～7倍体积的丙酮沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎处理制备得到的醛化多糖。
7.根据权利要求3所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述醛化多糖是以10重量份的多糖加入到多糖15～25倍重量份的蒸馏水中在25～45℃下溶解，再加入5～25重量份的高碘酸钠，在pH1.5～4.0下反应2.5～10h，然后，加入反应液2～7倍体积的丙酮沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎处理制备得到的醛化多糖。
8.根据权利要求4所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述醛化多糖是以10重量份的多糖加入到多糖15～25倍重量份的蒸馏水中在25～45℃下溶解，再加入5～25重量份的高碘酸钠，在pH1.5～4.0下反应2.5～10h，然后，加入反应液2～7倍体积的丙酮沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎处理制备得到的醛化多糖。
9.根据权利要求5所述的适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶，其特征是：所述醛化多糖是以10重量份的多糖加入到多糖15～25倍重量份的蒸馏水中在25～45℃下溶解，再加入5～25重量份的高碘酸钠，在pH1.5～4.0下反应2.5～10h，然后，加入反应液2～7倍体积的丙酮沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎处理制备得到的醛化多糖。
10.权利要求1所述适用于生物医用材料的胶原基冷冻凝胶的制备方法，其特征是包括以下三个制备步骤：
(1)称取1～50重量份胶原蛋白质干品，加入蒸馏水在4～6℃下不断搅拌6～12h，得到浓度为0.1～5重量％的胶原蛋白质溶液；
(2)称取0.1～10重量份的醛化多糖，加入蒸馏水在70～80℃加热并不断搅拌0.5～1h，室温冷却后得到0.01～1重量％的醛化多糖溶液；
(3)室温条件下，将浓度为0.01～1重量％醛化多糖溶液和浓度为0.1～5重量％胶原蛋白质溶液按干重计以1∶1～500的重量比例混合，并将以胶原蛋白质干品重量计的共混液浓度控制在0.01～5％，pH范围在4～9，在室温下搅拌2～6h后，将混合均匀的醛化多糖-胶原蛋白质溶液注入模具，在0～-50℃的低温反应器中贮藏1～7天，最后取出模具缓慢解冻，即得到醛化多糖-胶原基冷冻凝胶。
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